JP2021181613A - 高炉の休風立ち上げ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】出銑口と羽口の間の領域におけるコークス層の空隙率を効果的に高めることにより、高炉の確実な立ち上げを可能にする高炉の休風立ち上げ方法を提案する。【解決手段】高炉の休風からの立ち上げ方法であって、休風立ち上げ前に出銑口からバーナを挿入し可燃性ガスおよび酸素含有ガス、または酸素含有ガスを炉内に吹込み、休風前から炉内に残留するコークスのうち出銑口と羽口の間の領域に存在するものを燃焼させた後、羽口から送風を開始する。【選択図】図３

Description

本発明は、操業が停止して休風した高炉を立ち上げるための、高炉の休風立ち上げ方法に関する。

高炉は、羽口と呼ばれる送風用の穴から吹き込んだ高温空気及び酸素とコークスおよび微粉炭の反応によって生成した高温還元ガスによって、鉄鉱石の昇温、還元、溶解を行い羽口下部に設置した出銑口から銑鉄とスラグを炉外に排出して生産する設備である。高炉の通常操業時においては、炉内の反応熱と羽口からの熱供給がバランスしているため、高炉の安定的な操業が可能である。しかしながら操業トラブルや設備トラブル等に起因して、高炉への送風を止める必要が発生する場合がある。また、高炉の老朽化に伴う補修工事のためや生産調整のため、高炉を長時間休風(バンキング)させることが必要となる場合もある。

このように一旦稼働を停止した高炉を再び稼働させる場合に、出銑口にバーナを設置して、出銑口から酸素ガスを吹き込んで炉内の炭材や銑鉄を燃焼、発熱させて炉底部を昇温させる方法や、高炉の炉底に設けられた出銑口にバーナを設置して燃料を燃焼させ、炉底を効率よく昇温し、長時間休風から短時間のうちに立ち上げることができる高炉の送風開始方法と炉底昇温用バーナが提案されている (特許文献１、２)。

特開２０１６−３０８３３号公報 特開２０１３−２２１１８４号公報

しかし、出銑口にバーナを設置し、バーナ付近を単に昇温するのみでは、高炉をうまく立ち上げられないことがあるという問題が存在していた。すなわち、休風後やバンキング後からの立ち上げは通常、出銑口上に存在する１または２か所以外の羽口を耐火物等により閉塞させてから、出銑口の上方の羽口から送風を開始する。そして、送風に伴って生成する溶銑滓の円滑な排出を確立した後、隣接部の羽口を開口し、徐々に開口羽口本数を増やし通常の操業まで回復させる方法をとる。発明者らは高炉の立ち上げ時の現象を詳細に調査した結果、以下のような場合に高炉がうまく立ち上げられなくなる場合があることを見出した。

休風中、炉体からの抜熱、羽口からの空気の吸込み等により、炉内に残留する装入物と溶融物の温度（以下、炉熱とする。）は低下する。炉熱が低下するとコークス充填層中に滞留するスラグの一部は凝固しコークス粒子間の間隙を埋める、もしくはコークス粒子に纏わりついた状態で存在し、出銑口と羽口の間の領域に存在するコークス充填層中の空間率(空隙率)が低下する。このような状態で羽口から送風を行った場合、本来ならば羽口前で高温ガスによって生成される溶銑とスラグは滴下して炉底に滞留すべきであるにもかかわらず、その滴下が阻害され、出銑口からの溶銑滓の排出が困難になる。一方、休風後に炉内に残留する溶融物量が少ない場合であっても、出銑口と羽口の間の領域に存在するコークスは操業中の羽口からの衝風の衝撃により破壊・粉化し微粉や細粒が多い状態にある。そのため、前述と同様にやはり出銑口と羽口にかけた領域の空間率(空隙率)が低下し、休風立ち上げ後の溶銑滓の炉外への排出に悪影響を及ぼし、休風からの立ち上げを阻害する可能性がある。従って、休風からの立ち上げをより円滑に行うためには、出銑口と羽口の間の領域の空隙率を事前に上昇させることが効果的であるとの結論に至った。

本発明の目的は、出銑口と羽口の間の領域におけるコークス層の空隙率を効果的に高めることにより、高炉の確実な立ち上げを可能にする高炉の休風立ち上げ方法を提案することにある。

上記の課題を解決するにあたり鋭意検討を重ねた結果、発明者らは、高炉の休風立ち上げ前に出銑口を開口しバーナを挿入し、可燃性ガスおよび酸素含有ガスまたは酸素含有ガスを吹込み炉内の出銑口と羽口間の領域のコークスを燃焼させ、当該領域のコークス充填層の空隙率を上昇させた後に羽口から送風を開始することで解決可能であることを確認した。また、バーナを燃焼するに当たっては、バーナは気体が流通する内管と外管とを含む重管構造およびこれらの端部を覆うキャップを有し、キャップが存在する場合は内管から吹き込んだ気体が外部に漏れずに外管から排出されるかまたは外管から吹き込んだ気体が外部に漏れずに内管から排出され、キャップが存在しない場合は内管または外管から吹き込んだ気体がバーナ外部に供給される構造を有するキャップを有し、キャップを存在させた状態で内管または外管に気体を流してバーナを冷却する機能を有するとともに、キャップを除去した後、バーナから炉内に燃焼用ガスを吹き込んでコークスを燃焼する機能を有するバーナを用いることが有効であることを確認した。

本発明の高炉の休風立ち上げ方法は、高炉の休風からの立ち上げ方法であって、休風立ち上げ前に出銑口からバーナを挿入し可燃性ガスおよび酸素含有ガス、または酸素含有ガスを炉内に吹込み、休風前から炉内に残留するコークスのうち出銑口と羽口の間の領域に存在するものを燃焼させた後、羽口から送風を開始することを特徴とする高炉の休風立ち上げ方法である。

なお、本発明の高炉の休風立ち上げ方法においては、
（１）出銑口と羽口の間の領域に存在するコークスを燃焼させた後、出銑口と羽口の間の領域に発生した空間にコークスを充填した後に、羽口から送風を開始すること、
（２）出銑口と羽口の間の領域に存在するコークスを燃焼させ、出銑口と羽口の間の領域において燃焼するコークスに銑鉄およびスラグが付着しない状態となった後に、羽口から送風を開始すること、
（３）炉内のコークスの温度に応じて出銑口から挿入したバーナより吹き込むガスの種類を調整すること、
（４）前記バーナとして、気体が流通する内管と外管を含む重管構造を有し、内管と外管との端部を覆うキャップであって、キャップが存在する場合は内管から吹き込んだ気体が外部に漏れずに外管から排出されるかまたは外管から吹き込んだ気体が外部に漏れずに内管から排出され、キャップが存在しない場合は内管または外管から吹き込んだ気体が内管または外管の端部からバーナの外部に排出される構造を有するキャップであって、かつ、高炉内において除去可能なキャップを有するバーナを用いること、
がそれぞれ好ましい態様となるものと考えられる。

本発明の高炉の休風立ち上げ方法によれば、休風立ち上げ後の出銑口からの溶銑滓の排出が良好に行われ、もって高炉の再稼働が円滑に行われることが見込まれる。

バーナ燃焼中の炉内の模式図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発明で使用するバーナの模式図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ、バーナ燃焼中の炉内のコークスの動きおよび減尺操業時にバーナ燃焼を行った場合の炉内のコークスの堆積形状を示す図である。

以下、本発明の実施形態と作用効果について説明する。
図１は本発明においてバーナを燃焼する際の炉下部の模式図を表す。本発明では、まず、通常出銑口はマッド材と呼ばれる材質で閉塞されているが、バーナを炉内に挿入するために出銑口を開口する。開口には、公知の出銑口開口機を用いることができる。バーナ挿入用の出銑口が開口後、バーナを挿入する。

図２は本発明で使用するバーナの模式図を表す。図２（ａ）、（ｂ）に示すバーナは、気体が流通する内管と外管との２重管構造を有するとともに、内管と外管との端部を覆うキャップと、外管外部にバーナ温度測定する熱電対を有している。そして、図２（ａ）に示すようにキャップが存在する場合は、内管の気体導入口から吹き込んだ気体が外部に漏れずに外管の気体排出口から排出される。一方、図２（ｂ）に示すようにキャップが存在しない場合は、内管の気体導入口から吹き込んだ気体が炉内に供給される。ここで、図２（ａ）では、内管から外管にガスが流通する機構を例示したが、外管から内管にガスが流通する機構としてもよい。この場合の図２（ｂ）のキャップが存在しない場合の図面では、外管の気体導入口から吹き込んだ気体が炉内に供給される。

そのため、バーナは、キャップを存在させた状態で内管から外管に気体を流してバーナを冷却する機能を有するとともに、内管から外管の気体の流通による冷却を止めるとともにキャップを溶解させて除去し、バーナの内管または外管あるいはその両方から炉内に燃焼用のガスを吹き込んで炉内のコークスを燃焼する機能を有する。バーナ挿入前は内管より窒素等の冷却用のガスを流通させバーナ本体を冷却する。挿入後、炉内のコークスおよび溶融物の熱によりバーナ先端のキャップは溶融しバーナ先端温度が上昇するが、キャップ先端に設置されている熱電対温度からキャップの溶損タイミングを判断する。

熱電対温度からキャップ溶損を判定した後、バーナの外管および内管から可燃性ガスおよび酸素を投入し燃焼を開始する。この時、赤熱したコークス充填層にバーナから酸素を吹込んだ場合、以下の式に示すようにコークス中の炭素と酸素が反応する。
Ｃ ＋ （１／２）Ｏ_２ → ＣＯ_２ …（１）
式（１）で発生したＣＯ_２はその後コークス充填層を流通するが、この時コークス中の炭素とＣＯ_２は以下の式に示すように反応する。
Ｃ ＋ ＣＯ_２ → ２ＣＯ …（２）
式（１）で反応せずコークス充填層中を通過した酸素は式（２）に示す発生したＣＯと以下の式に示すように反応する。
ＣＯ ＋ （１／２）Ｏ_２ → ＣＯ_２ …（３）
したがって、酸素を吹込みコークスを燃焼させている間は、ＣＯ_２およびＣＯガスが発生することになる。

酸素を供給しコークスの燃焼を継続した結果、図３（ｂ）に示すように炉内に挿入したバーナの先端付近のコークスが消失した場合、炉内に供給された酸素は反応せず未燃の酸素として存在することになる。この時、炉内にはＣＯガスが充満しているため、バーナから供給された未燃の酸素と反応して爆発する恐れがある。したがって、酸素を供給しコークスを燃焼させる場合は、高炉内のガス組成を測定し、未燃の酸素比率（＝（炉頂の酸素量）／（投入酸素量）×１００）が上昇した時点でバーナによる燃焼を終了すればよい。ガスの組成の測定には出銑口上部の羽口からセンサーを挿入して測定してもよい。また、高炉の上部には炉頂のガスの濃度を検知するためのセンサーが常設されているため、これを用いてもよい。燃焼を終了する際の未燃の酸素比率は８０〜９０％である。

また、バーナでの燃焼により炉内のコークスが消失する場合、図３（ｂ）のように炉中心から炉壁近傍にかけてコークス充填層は裾野を形成し、この斜面上をコークスが転動してバーナ先端まで移動し燃焼され、その斜面上をさらにコークスが転動しバーナ先端へと供給されることを繰り返す。形成される斜面の角度は通常のコークスであればおおよそ４０〜４３度である。一方、高炉炉下部のような場所においてはコークス充填層中を溶銑ならびに溶滓が流れ落ち、これらのうちの一部はコークス充填層中に滞留したまま炉下部に滴下してこないこともある。このような状態のまま操業を停止した場合、充填層中に滞留した溶銑および溶滓は温度が低下しコークス充填層中で凝固するため、コークス充填層はより強固な構造となる。したがって、バーナによる酸素吹込みでは前述のようなコークスのバーナ先端での燃焼と供給を繰り返すことが不可となり、コークスの燃焼による消失量は低減する。そのため、このような場合には炉内に可燃性ガスと酸素を同時に吹込み、前述のコークス充填層中の凝固物を可燃性ガスの燃焼による昇温により溶融させた後に酸素による燃焼を行う事が効果的である。

炉内温度が低くコークスが赤熱していない場合は、酸素単独での吹込みではコークスは燃焼せず、炉内を冷却してしまうことになる。そのため、このような場合には炉内には可燃性ガスと酸素とを同時に吹込み、可燃性ガスを燃焼させコークスを昇温させた後、昇温が完了した後に酸素単独の吹込みまたは可燃性ガスと酸素の同時吹込みとしてコークスを燃焼する。また、燃焼前に炉内のコークス温度が十分に高くコークスが赤熱している場合は、可燃性ガスを吹き込む事なく最初から酸素を単独で吹込みコークスを燃焼させる。ここで、吹き込む酸素は、純酸素でなくともよく、酸素を含有したガスとして吹き込まれてもよい。なお、炉内のコークス温度は羽口から熱電対等を挿入して直接測定する方法、バーナ先端に熱電対を埋め込みバーナ先端のコークス温度を測定する方法などが考えられる。

以上のようなバーナの運用をすることで、凝固したスラグとコークスの混合領域中のコークスを燃焼除去し、出銑口と羽口の間の混合領域の空洞化、すなわち高空隙率化を行うことが可能となる。また、休風前に炉内に残留する溶銑滓量が少ない場合であっても、以下で説明するように出銑口と羽口の間の領域の高空隙率化を行うことができる。

図３（ａ）は、バーナを燃焼中の炉内に充填されているコークスの動きを表す模式図である。バーナ先端から吹き込まれる燃焼ガスは先端からほぼ真上に流れるため、先端から真上の領域である低空隙率領域がコークスの燃焼除去領域である。本領域におけるコークスを燃焼により除去することで、羽口上部より新たなコークスが本領域に降下し供給され、バーナ燃焼前のコークスと置換される。上部より供給されるコークス(以下、「健全なコークス」と呼称)は休風中であることから羽口からの衝風による破壊を受けないため細粒・微粉の割合が少く、本領域における空隙率はバーナ燃焼前と比較して上昇する。図３（ａ）のように、羽口の上部にコークスが残った状態で休風を行う場合、羽口の上部のコークスにも溶融した鉱石やスラグが付着していることがある。また、コークス塊の間に鉱石が残存していることもある。この場合には、出銑口と羽口の間のコークスを燃焼させてもしばらくは「健全なコークス」が下降してこないこともある。発明者らは、鉱石やスラグが付着したコークスが出銑口と羽口の間に下降してこなくなった状態で、羽口からの送風を行うことにより、高炉の順調な立ち上げが可能になることを見出した。

本領域が健全なコークスで置換された場合、出銑口と羽口間の通気性が向上するため、ガスとコークスとの熱交換量は低下する。また、コークスに付着した銑鉄やスラグの昇温に必要な熱量も必要がなくなる。したがって、例えば羽口先端部に設置した熱電対温度のデータから、バーナの燃焼終了のタイミングを推定することも可能である。具体的には、出銑口バーナ先端部のコークス温度と、羽口先端部のコークス温度との差が５００℃以下になった場合に、出銑口と羽口の間が健全なコークスで満たされていると判断できる。また、羽口先端部の圧力から燃焼終了を判定しても良い。具体的には、出銑口バーナ先端部の圧力と、羽口先端部の圧力の差圧を計測し、差圧が、同一流速の条件で出銑口バーナの燃焼開始時の差圧の１／５以下になれば、出銑口と羽口の間が健全なコークスで満たされていると判断できる。例えばこのような指標に基づいて、出銑口に挿入したバーナの燃焼を行った後、羽口からの送風を行なえばよい。なお、図３（ａ）のように炉内が十分な量のコークスで満たされている場合は、吹込まれる酸素は式（１）および（２）からＣＯに反応するため、燃焼中のガス組成の大きな変化は見られない。

以上の方法により、出銑口と羽口の間に高空隙率な領域が形成され、これにより出銑口と羽口間の領域は羽口先端部で生成した溶銑滓が通液しやすくなるため、休風からの立ち上げをスムーズに行うことが可能となる。

以下では本発明の実施例について説明する。
休風中の実高炉を対象としてバーナを出銑口から挿入し燃焼を行った。燃焼開始前に羽口先端部のコークス温度を測定したところ、低温であったため、可燃性ガスとしてメタン（ＣＨ_４）を用いて、酸素との同時吹込みによる燃焼を開始した。メタンおよび酸素はそれぞれ３００Ｎｍ^３／ｈｒ（Ｎｍ^３：標準状態（０℃、１気圧）に換算したガス体積）および１１００Ｎｍ^３／ｈｒ吹込み燃焼を行った。出銑口上部の羽口から炉内に熱電対を挿入し、燃焼開始と同時に炉内温度の測定を行った。バーナを用いた燃焼を８時間実施したところ炉内温度が高温化したため、休風前から残留していた出銑口と羽口間のコークスの燃焼が完了し健全なコークスと置換されたと判定し、バーナの燃焼を停止し羽口からの送風に切り替えた。その後、目標温度まで炉内を昇温させるのに短時間で達成することが可能となった。この時、出銑口バーナ先端部の圧力と、羽口先端部の差圧は、出銑口バーナの燃焼開始時の差圧の１／５に低減していた。

本発明に係る高炉の休風立ち上げ方法によれば、高炉の再稼働だけでなく、高炉以外の様々の竪型溶解炉においても休風からの立ち上げ方法を提供できる。

Claims (5)

1. 高炉の休風からの立ち上げ方法であって、休風立ち上げ前に出銑口からバーナを挿入し可燃性ガスおよび酸素含有ガス、または酸素含有ガスを炉内に吹込み、休風前から炉内に残留するコークスのうち出銑口と羽口の間の領域に存在するものを燃焼させた後、羽口から送風を開始することを特徴とする高炉の休風立ち上げ方法。
2. 請求項１に記載の高炉の休風立ち上げ方法において、出銑口と羽口の間の領域に存在するコークスを燃焼させた後、出銑口と羽口の間の領域に発生した空間にコークスを充填した後に、羽口から送風を開始することを特徴とする高炉の休風立ち上げ方法。
3. 請求項１に記載の高炉の休風立ち上げ方法において、出銑口と羽口の間の領域に存在するコークスを燃焼させ、出銑口と羽口の間の領域において燃焼するコークスに銑鉄およびスラグが付着しない状態となった後に、羽口から送風を開始することを特徴とする高炉の休風立ち上げ方法。
4. 請求項1から３のいずれかに記載の高炉の休風立ち上げ方法において、炉内のコークスの温度に応じて出銑口から挿入したバーナより吹き込むガスの種類を調整することを特徴とする高炉の休風立ち上げ方法。
5. 請求項1から４のいずれかに記載の高炉の休風立ち上げ方法において、前記バーナとして、気体が流通する内管と外管を含む重管構造を有し、内管と外管との端部を覆うキャップであって、キャップが存在する場合は内管から吹き込んだ気体が外部に漏れずに外管から排出されるかまたは外管から吹き込んだ気体が外部に漏れずに内管から排出され、キャップが存在しない場合は内管または外管から吹き込んだ気体が内管または外管の端部からバーナの外部に排出される構造を有するキャップであって、かつ、高炉内において除去可能なキャップを有するバーナを用いることを特徴とする高炉の休風立ち上げ方法。

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